ИСТИНА

В современном мире все большее значение приобретают вопросы экологии, экологической безопасности и экологического мониторинга среды обитания человека. Контроль объемов выбросов парниковых газов, оксидов серы, азота, а также вредных химических соединений и отравляющих газов является важнейшей задачей, эффективное решение которой позволит сберечь природу и спасти жизни людей не только нашей страны, но и Земли в целом. Поэтому существует проблема разработки приборов, с помощью которых можно быстро и эффективно осуществлять контроль состояния атмосферы Земли, её природных ресурсов, среды обитания человека, выявлять объемы и содержание вредных выбросов промышленных предприятий, а также предупреждать население об опасности в случае террористических угроз или применения химического оружия. Эффективным решением данной задачи является применение оптоэлектронных и спектрометрических устройств дистанционного контроля состояния атмосферы и окружающей среды. Известно, что модуляторы, дефлекторы и спектральные устройства, в работе которых используется принцип акустооптической фильтрации, обладают рядом преимуществ относительно других типов приборов. К таким преимуществам можно отнести компактность, малый вес, малую потребляемую мощность, широкий оптический диапазон перестройки. Кроме того, акустооптические спектральные устройства обладают достаточно высоким разрешением, достаточным для регистрации полос поглощения разнообразных газов и химических соединений. В случае, если спектральное разрешение акустооптического прибора недостаточно, он может использоваться совместно с дифракционной решеткой, выполняя роль предварительного селектора спектрального диапазона оптического излучения, дифрагирующего на решетке. В таком варианте можно добиться спектрального разрешения, достаточного для регистрации тонкой структуры полос поглощения большинства известных газов. Кроме того, использование акустооптических фильтров позволяет создавать видео спектрометры, работающие с неколлимированными пучками и формирующие изображение исследуемого объекта на различных, задаваемых оператором, длинах волн светового излучения. На сегодняшний момент созданы акустооптические устройства, осуществляющие спектральный анализ в видимом и ближнем инфракрасном спектральных диапазонах. Ультрафиолетовая область оптического спектра, представляющая интерес для мониторинга состояния озонового слоя, мало освоена акустооптикой и требует дальнейшего исследования. Однако наиболее проблематичной для современной акустооптики является работа приборов в средней и дальней инфракрасной области спектра. На сегодняшний день возможности акустооптических устройств в среднем и, особенно, дальнем ИК диапазоне сильно ограничены, несмотря на то, что большинство парниковых газов (включая метан), оксидов азота, серы, соединений хлора, ароматических углеводородов и фенолов имеют достаточно сильные полосы поглощения в диапазоне от 5 до 15 мкм. В этом же спектральном диапазоне находятся полосы поглощения известных опасных для человека газов и химических соединений, например, иприта, зарина и зомана. Подобная ситуация обусловлена отсутствием эффективных кристаллических материалов, пригодных для создания акустооптических модуляторов и фильтров, работающих в среднем и дальнем ИК диапазонах. Следовательно, задача исследования новых для акустооптики материалов, в которых возможно эффективно реализовывать акустооптическое взаимодействие, является актуальной и важной для противодействия техногенным и экологическим угрозам, с которыми может столкнуться и уже сталкивается современное общество. К таким перспективным материалам акустооптики можно отнести кристаллический теллур, семейство кристаллов на основе таллия, например, KRS и TAS. Сюда относятся и кристаллические соединения на основе ртути, свинца, мышьяка и некоторых других веществ, прозрачных для излучения среднего и дальнего ИК диапазона. На исследование новых материалов инфракрасной акустооптики и создание приборов на их основе и направлен данный проект.

The issues of ecology, environmental monitoring and safety are becoming increasingly important in the modern world. Controlling the volumes of greenhouse gases emissions, sulfur oxides, nitrogen as well as other harmful chemical compounds and toxic gases is one of the most important tasks. Effective solution of these problems will save human lives and nature not only in our country but on the Earth as a whole. Therefore, there is a problem of developing instruments that are able to monitor quickly and effectively state of the Earth atmosphere, its natural resources, human habitat. Scientists and engineers have to develop methods intended to identify volumes and content of harmful pollutions from industrial plants. Finally, they are obliged to warn public about danger in events of terrorist threats or use of chemical weapon. An effective solution of this problem is based on use of optoelectronic and spectroscopic devices for remote monitoring of the atmosphere and the environment. It is known that optic modulators, deflectors and spectral devices, in which the principle of acousto-optic filtering is used, have a number of advantages with respect to other types of optoelectronic instruments. These advantages include compactness, absence of moving parts, low weight, low power consumption and wide optical operation range. In addition, acousto-optic spectroscopic devices have a sufficiently high spectral resolution that enables to detect absorption bands of various gases and chemical compounds. If spectral resolution of an acousto-optic filter is not high enough, it can be used in combination with a diffraction grating acting as a preselector of optical radiation to be sent on the diffraction grating. In such an embodiment, it is possible to achieve spectral resolution sufficient to detect fine structure in the majority of known gas absorption bands. Moreover, application of acousto-optic filters provides development of video spectrometers that operate with non collimated optical beams that form images of an object under investigation at different wavelengths of light radiation. These wavelengths may in real time be set by on operator of the device. To date, the existing acousto-optic devices perform spectral analysis in the visible and near infrared spectral ranges. The ultraviolet region of the optical spectrum, that is of interest for monitoring state of the ozone layer in the atmosphere of the Earth, has been excluded from consideration of acousto-optics and requires further investigation. However, the most problematic task for modern acousto-optics is design and development of devices operating in the middle and far infrared regions of electromagnetic spectrum. To date, the capabilities of acousto-optic devices in the middle and especially in the far infrared range are limited despite the fact that many greenhouse gases (including methane), nitrogen and sulfur oxides, chlorine compounds, aromatic hydrocarbons and phenols demonstrate strong absorption bands in the spectral range from 5 to 15 μm. In the same spectral range, the absorption bands of known dangerous gases and chemical compounds, e.g., mustard gas, zarin and soman are also located. The mentioned problem of developing infrared acousto-optic instruments originates from lack or even absence of effective crystalline materials. In particular, crystals suitable for design of acousto-opticl modulators and filters operating in the middle and far infrared regions of spectrum. The problem also covers the materials suitable for development of acousto-optic filters operating both in the ultraviolet as well as in the middle and far infrared ranges of spectrum. Consequently, the task of exploring new materials providing effective acousto-optic interaction is at present a relevant and important requirement counteracting many technogenic and environmental threats facing modern society. As for the effective acousto-optic materials, the list of promising crystals to be examined in the frames of the project, includes crystalline tellurium and the family of thallium-based crystals, e.g., KRS and TAS. These materials as well as other crystalline compounds based on mercury, lead, arsenic and some other substances that are transparent in the medium and far IR infrared spectral domains will be under consideration of the planned research program. As a result, this project is focused on a detailed examination of the new materials to be used in the acousto-optic devices operating in the visible, ultraviolet and infrared regions of electromagnetic spectrum. Design and development of novel and new optoelectronic instruments will also be one of the major tasks in the planned research.

В ходе работ по проекту планируется детально изучить акустические и акустооптические свойства материалов, подходящих для создания АО устройств фильтрации излучения работающих в среднем и дальнем ИК диапазоне. Акустические и акустооптические свойства новых материалов будут изучены не только теоретически, но и экспериментально. На основе полученных результатов будут определены оптимальные геометрии АО ячеек для акустооптических фильтров, работающих как с поляризованным, так и с неполяризованным световым излучением. Также планируется предложить геометрии АО дифракции, позволяющие осуществлять спектральную фильтрацию изображений и изучить их характеристики. Одним из перспективных направлений, среди работ, планируемых к выполнению, является разработка акустооптического монохроматора, характеризующегося возможностью фильтрации изображений для двух взаимно ортогональных поляризаций светового излучения в среднем и дальнем ИК диапазоне. Данный прибор предоставит возможность одновременно осуществлять пространственный, спектральный и поляризационный анализ исследуемого объекта в режиме реального времени. В частности, подобное устройство сможет обеспечить уникальные возможности для изучения состава и размеров аэрозольных частиц в атмосфере. В результате проведенной научно-исследовательской работы будут разработаны макеты АО устройств для фильтрации инфракрасного излучения в диапазоне от 5 до 15 мкм, при этом характеристики данных макетов будут измерены и сопоставлены с результатами расчетов. Таким образом, работы, выполнение которых запланировано по проекту, позволят создать АО устройства, которые могут быть непосредственно использованы или являться компонентами приборов управления световыми потоками и спектрального анализа. Эти приборы позволят провести дистанционный мониторинг состава атмосферы Земли, контролировать состояние её природных ресурсов и среды обитания человека, выявлять объемы и содержание вредных выбросов промышленных предприятий, а также предупреждать население об опасности в случае террористических угроз или применения химического оружия. Важно, что аналогов устройств, которые планируется разработать в рамках данного проекта, в мире не существует. Поэтому запланированные исследования носят пионерский характер и превосходят мировой уровень работ в данной области оптической электроники. Результаты исследования могут быть достаточно легко реализованы на практике, поскольку общая технология создания акустооптических ячеек является хорошо отработанной. При этом технология получения ряда новых монокристаллов ИК диапазона, которые предполагается изучить, была частично отработана в рамках предшествовавшего исследования, поддержанного фондом РНФ (грант №14-12-00380) и выполненного силами авторского коллектива заявителей данного проекта. К подобным материалам относятся кристаллы семейства теллура и таллия, например, KRS и кристаллические соединения индия и йода. Следует ожидать, что при применении в акустооптических устройствах новых, ранее неизвестных инфракрасных материалов могут возникнуть ряд проблем технического характера. Например, одной из таких проблем может оказаться создание акустического контакта и согласование акустических импедансов материалов АО ячеек и пьезоэлектрических преобразователей. Данные вопросы также планируется изучить, а указанные проблемы решить в ходе работ по заявленной теме.

Научный коллектив проекта много лет занимается вопросами изучения акустических, оптических и акустооптических свойств известных акустооптических материалов прозрачных в диапазоне длин волн от 5 до 15 мкм. За последние годы авторским коллективом было разработано прошедшее патентование программное обеспечение, предложены физические модели и опробованы математические методы, позволяющие исследовать акустические свойства различных материалов, в том числе обладающих экстремально сильной акустической анизотропией. Участниками проекта была разработана оригинальная методика, позволяющая теоретически оценить величину акустической анизотропии кристаллической среды для произвольного направления в среде. Данная методика не использует понятие «плоской волны», а основана на анализе пространственных спектров пучков при разложении поля упругой деформации не по волновым векторам, т.е. векторам фазовой скорости, а по лучевым векторам Умова-Пойнтинга, характеризующим потоки энергии. С помощью данного подхода были изучены акустические свойства кристалла KRS-5. Оригинальным методом расчета параметров акустооптического взаимодействия является и метод двумерных уравнений связанных волн, в котором, в отличие от общепринятого одномерного случая, учитывается изменение амплитуды дифрагированного поля одновременно вдоль двух координат. Это позволило предсказать изменение структуры дифргированного светового пучка в процессе нового режима дифракции, открытого авторским коллективом.

Планируется теоретическое и экспериментальное изучение новых кристаллических сред, прозрачных в диапазоне длин волн электромагнитного спектра от 5 до 15 мкм. 1. В монокристаллах на основе таллия, йода, теллура и индия запланировано измерение пропускания электромагнитной энергии образцами в диапазонах электромагнитного спектра среднего и дальнего инфракрасного диапазона. В качестве подобных образцов будут исследованы кристаллы семейства Tl-Cl, Tl-Br, KRS и InI, а также кристаллические и аморфные соединения теллура, германия и селена. Исследования оптических свойств указанных веществ планируется проводить как с использованием оборудования, имеющегося в распоряжении научного коллектива, так и с привлечением возможностей Центра коллективного пользования физического факультета Московского университета. Первые образцы кристаллических соединений таллия, теллура и индия были получены в 2017 году в лабораториях ГИРЕДМЕТа и Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе при совместных работах с авторским коллективом проекта. Продолжение этого сотрудничества для реализации задач данного проекта планируется в 2018 году. 2. Запланировано изучение акустических свойств кристаллов теллура, InI, соединений таллия и ртути. Будут теоретически исследованы такие важные для акустооптических применений параметры, как скорости распространения акустических волн в данных материалах, их поляризация, определены углы сноса акустической энергии (углы между волновым вектором и вектором Пойнтинга), коэффициенты акустической анизотропии. Исследование будет проведено не только в главных кристаллографических плоскостях материалов, но и для произвольных направлений распространения акустических волн. Расчеты, проводимые в данной части работ будут основаны на уникальных запатентованных методиках, разработанных и апробированных членами научного коллектива проекта. 3. Будет произведен расчет параметров акустооптических перестраиваемых фильтров, в первую очередь полосы пропускания, требуемых для реализации возможности регистрации полос поглощения метана, оксидов углерода, азота и серы, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, а также спектральных линий опасных для жизни газов, например, горчичного газа, иприта, зарина и зомана. 4. Проведение теоретического исследования «полуколлинеарной» дифракции на длинах волн электромагнитного излучения, превышающих 3 мкм. Рассмотрение возможности использования кристаллов на основе таллия из семейства KRS для экспериментальной реализации «полуколлинеарной» дифракции на длинах волн излучения CO2 лазера 10.6 мкм. Проведенные исследования станут основой для практической реализации устройств, использующих «полуколлинеарный» режим АО взаимодействия и работающих в диапазоне длин волн от 5 до 15 мкм. Данная часть работ основывается на оригинальных подходах к решению задачи акустооптического взаимодействия, разработанных членами научного коллектива проекта и изложенных в кандидатских диссертациях, защищенных в 2015-2016 годах в Московском университете. 5. Экспериментальная реализация акустооптического взаимодействия в новых материалах акустооптики и оценка скорости распространения акустических волн в соединениях теллура, таллия и иода.